- تعريف المادة المركّبة (composite)، تعداد حسناتها وسيئاتها، والتحدث عن العوامل التي تؤثر على خصائصها الميكانيكية.
- تصنيف المركبات، عرض الأنواع الشائعة من الألياف والقوالب، خصائصها، والتطبيقات الخاصة بها.
- عرض الإصطلاحات المستخدمة في هذا المجال.
يفيض التاريخ العلمي بأمثلة عن المركّبات. من أهمها استخدام الطين المقوى لدعم المنازل المشيدة من أعواد الخيزران، واستخدام الخشب المنضّد (الفراعنة، 1500 ق.م.)، كما استخدام المعدن المنضد في صناعة السيوف (القرن التاسع عشر). منذ سبعينات القرن الفائت، ازدادت تطبيقات المركبات باطراد كبير، نظراً لتطوير أنواع جديدة من الألياف كالكاربون، البورون، الأراميد، ومركبات جديدة تستخدم قوالب من السيراميك والمعدن.
ما هو المركب؟
المركب هو مادة منظمة تتألف من عنصرين أو أكثر تجتمع على مستوى ماكروسكوبي من دون أن تكون قابلة للذوبان ببعضها البعض. العنصر الأول يكون له دور المقوي أو المعزز، والعنصر الذي يتضمنه ويحويه يكون له دور القالب.
إن الجمع بين نوعين أو أكثر من المواد يكون له فعالية أكبر من مجرّد إستعمال نوع واحد كالفولاذ أو الألومينيوم؛ فما هي مزايا استخدام المركبات بالنسبة لاستخدام المعادن الخالصة؟
لا تتمكن المعادن المتآلفة وسبائكها (Alloys) دائماَ من مجاراة متطلبات التقنيات الحديثة المستخدمة في يومنا هذا، فإن تحقيق هكذا كفاءة ممكن فقط عبر العمل على جمع عدد من المواد مع بعضها البعض. على سبيل المثال، الدعامات المستخدمة في الأقمار الإصطناعية يجب أن تكون ذات أبعاد مستقرة في درجات حرارة تتقلب بين 160 درجة مئوية تحت الصفر و93 درجة فوق الصفر. بذلك تكون القيود الموضوعة على معامل التمدد الحراري (Coefficient of Thermal Expansion) صغيرة جداً (حوالي 1.8×10-7m/m/0C). لا يمكن للمعادن المتآلفة تحقيق هكذا متطلبات، وهذا يترك لنا المركبات، كالغرافيت و الإيبوكسي، لتلبيتها. تقدم المركبات عدة مزايا أخرى مقارنة بالمعادن التقليدية، منها القوة، الصلابة، مقاومة تأثير الإجهاد والصدمات، الموصلية الحرارية، مقاومة الصدأ، إلخ.
كيف يتم قياس الميزة الميكانيكية للمواد المركبة؟
الانحراف المحوري (u) لقضيب موشور (prism) تحت حمولة محورية (P) يمكن حسابه بالطريقة التالية:
u=PL/AE
حيث يكون طول القضيب (L) ويكون (E) عبارة عن معامل يونغ لليونة المادة التي تكوّن القضيب.
ويتم حساب كتلة القضيب (M) بالشكل التالي:
M=pAL
حيث ( p) هي كثافة المادة، فنصل الى:
M=PL^2/4E/p
هذا يعني أن المادة الأخف التي يمكن استخدامها مع الحمولة والإنحراف المحددين هي المادة التي لديها أعلى معدل ( E/p). وبالتالي، لحساب الميزة الميكانيكية، يتم حساب المعدل ( E/p) واسمه المعامل المحدد (Specific Modulus)، أي النسبة بين معامل يونغ والكثافة. ومن المعلمات (parameters) الأخرى، لدينا معامل القوة (Specific Strength) وهو العلاقة بين القوة ( sigma ult) والكثافة:
specific modulus= E/p
specific strength= sigma ult/p
إن النسبتين الآنفتي الذكر عاليتان في المواد المركبة، ولكن ماذا يعني ذلك للمصمم؟
لنأخذ حالة قضيب مصمم لحمولة محورية ثابتة. المقطع العرضي لقضيب مكون من الغرافيت\الإيبوكسي سيكون ذاته لقضيب من الفولاذ، إلا أن الكتلة ستكون أقل بكثير(حوالي الثلث)؛ والكتلة الأقل تعني التخفيف من تكلفة الصناعة والطاقة.
ما هي ألياف التعزيز (التسليح) ذات القطر النحيف؟
الأسباب الأساسية التي تدفعنا الى استخدام الألياف ذات القطر النحيف:
- إن القوة الواقعية للمواد أقل بنسبة كبيرة من القوة النظرية والإفتراضية. ويعود هذا الفرق إلى العيوب المتأصلة في المادة. إزالة هذه العيوب تعود بزيادة في قوة المادة. وكلما كانت الألياف ذات قطر أصغر، انخفض احتمال وجود هكذا عيوب متأصلة.
- للحصول على ليونة وصلابة أعلى، ونقل أفضل للحمولة من القالب إلى الألياف، يحتاج المركّب إلى مساحة أعلى للسطح البيني (Interface) بين القالب والألياف. وهذه المساحة الأعلى يتم تحقيقها ضمن حجم ثابت للألياف عبر تصغير قطرها، حيث أن مساحة السطح البيني متناسبة بشكل عكسي مع قطر الألياف في حال تثبيت الحجم المستخدم منها.
- الألياف القابلة للإنحناء دون أن تنكسر لازمة لصناعة المواد المركبة، وخاصة مركبات القماش المنسوج. و تزيد القدرة على الإنحناء مع صغر القطر وتسمى بالمرونة. ويتم تعريف المرونة بأنها عكس صلابة الإنحناء، وهي متناسبة عكسيا مع حاصل ضرب معامل الليونة بالقطر للقوة 4:
Flexibility: proportional to 1/Ed^4
و بالنسبة لمادة معينة، بعكس القوة، لا يتغير معامل يونغ بشكل ملحوظ مع تغير القطر، لذا يمكن اختصار العلاقة بأنها فقط بين المرونة والقطر.
تطبيقات نموذجية لمركّبات ذات قوالب من بوليمر:
الطيران: صناعة الطيران الحربي جنحت بشكل كبير إلى استخدام المركبات البوليمرية. النسبة المئوية للمركبات من الوزن البنيوي للطائرة لم تتعدّ 2 بالمئة في طائرات ال F15 في السبعينات. وازدادت النسبة إلى 30 بالمئة في طائرات AV-8B في التسعينات. ويؤمن استعمال المركب تخفيضاً في الوزن بنسبة تفوق الـ 20 بالمئة.
الفضاء: هناك عاملان يجعلان من المركّبات خيارا أنسب للتطبيقات الفضائية: المعامل المحدد والقوة من جهة، والإستقرار في الأبعاد ضمن مجال حراري واسع، كما ذكرنا سابقا، من جهة أخرى.
المعدات الطبية: و تشمل التطبيقات في هذا المجال صناعة أقنعة خفيفة الوزن من الزجاج – كفلار\إيبوكسي لمرضى الصرع، و رئات اصطناعية محمولة من الزجاج – كفلار\إيبوكسي بشكل يسمح للمريض بالتنقل بحرية أكبر.
البحرية: إن تطبيقات الفايبرغلاس (fiberglass) في السفن واسعة المجال. و تستبدل هجائن الزجاج – كفلار\إيبوكسي الفايبرغلاس حالياً لتخفيف الوزن و تحسين توهين الذبذبات (vibration damping) و مقاومة الصدمات.
EmoticonEmoticon